EP2367780A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen von dimethylether aus methanol - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum herstellen von dimethylether aus methanol

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EP2367780A1
EP2367780A1 EP09775097A EP09775097A EP2367780A1 EP 2367780 A1 EP2367780 A1 EP 2367780A1 EP 09775097 A EP09775097 A EP 09775097A EP 09775097 A EP09775097 A EP 09775097A EP 2367780 A1 EP2367780 A1 EP 2367780A1
Authority
EP
European Patent Office
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column
meoh
dme
product
distillate
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Application number
EP09775097A
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English (en)
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EP2367780B1 (de
Inventor
Bernd Ahlers
Gerhard Birke
Harald KÖMPEL
Hermann Bach
Martin ROTHÄMEL
Waldemar Liebner
Walter Boii
Veronika Gronemann
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Air Liquide Global E&C Solutions Germany GmbH
Original Assignee
Lurgi GmbH
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Publication date
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Publication of EP2367780A1 publication Critical patent/EP2367780A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2367780B1 publication Critical patent/EP2367780B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C41/00—Preparation of ethers; Preparation of compounds having groups, groups or groups
    • C07C41/01—Preparation of ethers
    • C07C41/09—Preparation of ethers by dehydration of compounds containing hydroxy groups
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D3/00—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/14—Fractional distillation or use of a fractionation or rectification column
    • B01D3/143—Fractional distillation or use of a fractionation or rectification column by two or more of a fractionation, separation or rectification step

Definitions

  • the invention relates to a method and apparatus for producing dimethyl ether (DME) from methanol (MeOH) by reacting, preferably by acid catalytic condensation, MeOH synthesis crude MeOH to DME with elimination of water in a reactor in which the from raw MeOH existing feed mixture and an in-house obtained essentially formed from unreacted MeOH and water of reaction reflux of a column, hereinafter referred to as MeOH column, abandoned and evaporated and the substantially consisting of vaporous MeOH distillate is fed to the reactor.
  • DME dimethyl ether
  • MeOH column methanol
  • MeOH is produced exclusively from the synthesis gases CO 2 / H 2 or CO / H 2 , which in turn come from the reforming of natural gas, residual oils from oil treatment or from the pressure gasification of coal.
  • the crude MeOH produced can be further processed directly to DME or worked up by distillation to pure MeOH and then catalytically converted to DME and water.
  • the recovered DME product is separated by distillation from unreacted MeOH and water.
  • the crude MeOH is subjected to a two- or three-stage distillation in which first the low boilers and the dissolved gases, in particular CO 2 , are removed and then MeOH and water are separated, and the purified MeOH in an adiabatic fixed bed reactor until reaction equilibrium converted to DME.
  • the reactor product consists of a mixture of DME, water, unreacted MeOH, and minor amounts of noncondensable light gases
  • the reactor product is treated in a two-stage distillation with DME of unreacted MeOH and water of reaction and in the first distillation stage in the head in the second distillation stage in the head, the MeOH contained in the first stage bottoms product of the Reaction water are separated and the recovered MeOH flows back into the reactor.
  • the non-condensible light gases discharged at the top of the first distillation stage with the DME are saturated with DME, which is separated from the noncondensable gases in a gas wash with MeOH as a detergent before leaving the system at the top of the gas scrubbing stage as low boilers.
  • biofuel Directive 2003/30 / EC of the European Parliament and of the Council on the promotion of the use of biofuels or other renewable fuels in the transport sector qualifies as biofuel, it may contain impurities which are not permitted in high purity DME
  • the distillation of the MeOH is dispensed with and the crude MeOH is fed directly to the DME reactor In the process described in US Pat. No.
  • No. 6,740,783 B1 describes a process for the preparation of DME from crude MeOH using a DME reactor with a fixed bed of zeolite catalyst, which is first deactivated by doping with metals in order to increase the DME selectivity of the catalyst.
  • a steady supply of metals leads in the long term to a continuous deactivation and thus to a shortening of the lifetime of the catalyst.
  • the subject of EP 1396483 B1 is a process for the preparation of DME in which crude MEOH is dehydrated in the vapor phase in the presence of an activated Na 2 doped Al 2 O 3 catalyst. Care must be taken to a limited Na-doping, so as not to affect the conversion of the catalyst. This means that the crude MeOH must be largely free of metal and NH 4 ions. For the crude MeOH provided and its evaporation, therefore, the entrainment of neutralizing agent should be carefully avoided.
  • JP 2004161672 A deals with a crude MeOH vaporizer which allows partial evaporation of the crude MeOH, with the unvaporized mixture of MeOH and water together with the unreacted MeOH and the water of reaction from the DME reactor in a separate low-pressure distillation column is separated into process water and reflux MeOH.
  • the supercooled low-water liquid reflux MeOH is contacted with the evaporated crude MeOH to lower the water concentration in the crude MeOH fed to the DME reactor becomes. It is therefore envisaged to conduct unvaporized MeOH to the non-evaporated water of the crude MeOH to the reflux MeOH column.
  • the arrangement of a gas scrubber can be dispensed with. Instead, in a final cooler operated with cold water or a refrigerant, the DME discharged with the non-condensable gases can be largely recovered.
  • the object underlying the invention is to design the method described above so that the lowest possible consumption of resources achieved, the installed heat exchanger performance improved and the life of the catalyst are not affected.
  • reaction mixture withdrawn from the reactor in a column hereinafter referred to as a mixture column is separated into a predominantly consisting of water bottom product and in a predominantly formed from DME and MeOH distillate, the distillate in a column, hereinafter referred to as DME column, into a substantially DME and over Head deliverable non-condensable gas containing distillate and in a low water formed from MeOH bottoms product which is fed to the head of the MeOH column is separated.
  • distillate defines the product removed in a distillation or rectification column as a side product or as an overhead product.
  • the bottom product formed from low-water MeOH of the DME column is fed to the top of the MeOH column or mixed with the withdrawn from the feed column bottom product.
  • the amount of water introduced into the DME column is about the reflux ratio of the generated at the top of the column by condensation of a portion of the top product and at the top of the column abandoned liquid amount and discharged to the DME column Head product quantity adjustable.
  • Another feature of the invention is the fact that a portion of the steam generated by evaporation of the reflux of the substantially consisting of water bottoms of the MeOH column steam is passed into the bottom of the mixture column and lowered in this way the DME content in the sump.
  • An embodiment of the invention is further to be seen in that condenses the consisting essentially of DME distillate of the DME column and given up part of the condensate as reflux to the head of the DME column and the other part of the DME condensate is discharged. Characterized in that at the same time consisting of low-water liquid MeOH bottom product of the DME column on Head of the MeOH column is abandoned, can be dispensed with the condensation in the MeOH column.
  • Another feature of the invention resides in the fact that the DME discharged with the non-condensable gases is washed out in a wash column, preferably with MeOH, and passed into the mixture column.
  • the gases dissolved therein and light-boiling components are separated in a forerunner column and the distillate is discharged, whereby the quality of the produced DME is improved and the amount of DME entrained with the non-condensable gases from the DME column is reduced.
  • the withdrawn from the feed column bottom product is preheated prior to entry into the MeOH column and / or partially evaporated.
  • a further embodiment of the process according to the invention consists in the fact that the DME discharged at the top of the DME column with the non-condensable gases is washed out in a wash column, preferably with MeOH, and the produced bottom product is passed into the DME column and / or the crude product. MeOH is added before entering the MeOH column.
  • raw MeOH branched off from the feed of the crude MeOH can be introduced as detergent at the top of the wash column.
  • the crude methanol contains only small amounts of dissolved gases, can be dispensed with the arrangement of a wash column and instead used with cold water or refrigerant, such as DME, operated end cooler with which the DME discharged with the non-condensable gases can be recovered.
  • cold water or refrigerant such as DME
  • the bottom product of the MeOH column which consists predominantly of water, is discharged from the process or fed to the lower part of the mixture column and then discharged via the bottom of the mixture column.
  • a portion of the gaseous distillate of the MeOH column is passed into the bottom of the DME column.
  • the DME column is arranged on the MeOH column.
  • the two columns are coupled via the distillate of the MeOH column and the bottom product of the DME column, so that the MeOH column without reflux condenser and the DME column can be operated without an evaporator.
  • a modification of the process according to the invention consists in that vaporous distillate of the mixture column predominantly consisting of DME and MeOH into the bottom of a rectification column, hereinafter referred to as DME product Column referred to is fed, the liquid MeOH-containing bottom product of this column at the top of a rectification column, hereinafter referred to as MeOH-reflux column, is charged, with their distillate passed into the bottom of the DME product column and the bottom product of the head of MeOH Column is supplied.
  • the DME product column designed as a reinforcing part is arranged on the mixture column and the MeOH reflux column formed as a stripping section is arranged on the MeOH column.
  • a feed stream consisting of crude MeOH with a MeOH content of 75% by weight is fed via line (1) into the feed column (2), in which at an average temperature of 80 ° C. and a mean temperature Pressure of 3 bar [a] the gases dissolved in the crude MeOH, such as CO, CO 2 , CH 4 and the low-boiling hydrocarbons and discharged via line (3) for other uses.
  • the gas mixture withdrawn at the bottom of the reactor (12) is fed via line (13) to the heat exchanger group (10) and recuperatively cooled before being fed via line (14) to the mixture column (15).
  • the gas mixture is separated at a mean pressure of 15 bar [a] and an average temperature of 150 ° C in a water-rich bottom product and in a low-water overhead product, wherein the top product is less than 5 wt.%, preferably less than 2% by weight, contains water.
  • the water-rich bottom product is passed via line (16) to the MeOH column (7).
  • the low-water top product is fed via line (17) of the DME column (18), which operates at an average temperature of 100 ° C and a pressure of 13.5 bar [a].
  • DME is withdrawn and passed via line (19) to the plant boundary.
  • the bottom product of the DME column (18) consisting predominantly of MeOH with small amounts of water is pumped via line (20) to the top of the MeOH column (7) and serves as reflux for the enrichment section of the MeOH column (7).
  • a partial stream of the top product of the MeOH column (7) flowing in line (9) can be branched off and fed via line (21) into the bottom of the DME column.
  • Column (18) are introduced, so that can be dispensed with in this case to an evaporator circuit.
  • the non-condensable gases in the DME column (18) are withdrawn overhead and passed via line (22) in the bottom of the washing stage (23), in which at an average pressure of 10 bar [a] and a mean temperature of 75 ° C, the DME contained in the non-condensable gases with branched off from the line (4) and recovered via line (24) at the top of the washing stage (23) MeOH is recovered.
  • the gaseous top product of the washing stage (23) is combined via line (25) with the top product of the feed column (2) flowing off via line (3) and discharged for other use.
  • the DME-containing detergent is pumped from the bottom of the washing stage (23) via line (26) in the mixture column (15).
  • the bottom product of the washing stage (23) via line (27) either in the DME column (18) or via line (28) in the line (6) of the MeOH column (7) inflowing MeOH stream can be fed.
  • the mixture column (15) can be operated without evaporator circuit.
  • the bottom product of the MeOH reflux column (32) flows via line (20) to the top of the MeOH column (7), while the top product is passed via line (33) into the bottom of the DME product column (30).
  • the partial stream branched off from the top product of the MeOH column (9) flowing in line (9) is fed via line (21) to the bottom of the MeOH return column (32).

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen von Dimethylether (DME) aus Methanol (MeOH) durch Umsetzen von durch MeOH-Synthese gewonnenem Roh-MeOH zu DME unter Abspalten von Wasser in einem Reaktor werden das Roh-MeOH und ein prozessintern gewonnener aus nicht umgesetztem MeOH und Reaktionswasser gebildeter Rückfluss zusammen verdampft und das dampfförmige MeOH einem Reaktor zugeführt. Um einen möglichst niedrigen Verbrauch an Betriebsmitteln zu erreichen und die installierte Wärmeübertragerleistung zu verbessern, ist vorgesehen, das aus dem Reaktor abgezogene Reaktionsgemisch in ein überwiegend aus Wasser bestehendes Sumpfprodukt und ein überwiegend DME und MeOH und nicht kondensierbare Gase enthaltendes Destillat zu trennen und das Destillat in ein im wesentlichen DME und über Kopf abgegebene nicht- kondensierbare Gase enthaltendes Destillat und in ein aus wasserarmem MeOH gebildetes Sumpfprodukt zu trennen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Dimethylether aus Methanol
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Dimethylether (DME) aus Methanol (MeOH) durch Umsetzen, vorzugsweise durch säurenkatalytische Kondensation, von durch MeOH-Synthese gewonnenem Roh- MeOH zu DME unter Abspalten von Wasser in einem Reaktor, bei dem das aus Roh- MeOH bestehende Einsatzgemisch und ein prozessintern gewonnener im wesentlichen aus nicht umgesetztem MeOH und Reaktionswasser gebildeter Rückfluss einer Kolonne, nachfolgend als MeOH-Kolonne bezeichnet, aufgegeben und verdampft werden und das im wesentlichen aus dampfförmigem MeOH bestehende Destillat dem Reaktor zugeführt wird.
MeOH wird heute ausschließlich aus den Synthesegasen CO2/H2 oder CO/H2 hergestellt, die ihrerseits aus der Reformierung von Erdgas, Rückstandsölen der Erdölaufbereitung oder aus der Druckvergasung von Kohle stammen. Das erzeugte Roh-MeOH kann unmittelbar zu DME weiterverarbeitet oder destillativ zu Rein- MeOH aufgearbeitet und anschließend katalytisch zu DME und Wasser umgesetzt werden. In beiden Fällen wird das gewonnene DME-Produkt destillativ von nicht umgesetztem MeOH und Wasser getrennt. In aller Regel wird das Roh-MeOH einer zwei- oder dreistufigen Destillation, in der zunächst die Leichtsieder und die gelösten Gase, insbesondere CO2, entfernt und dann MeOH und Wasser getrennt werden, unterworfen und das gereinigte MeOH in einem adiabaten Festbettreaktor bis zum Reaktionsgleichgewicht zu DME umgesetzt. Da das Reaktorprodukt aus einem Gemisch von DME, Wasser, nicht-umgesetztem MeOH und kleineren Mengen nicht- kondensierbarer leichter Gase besteht, wird das Reaktorprodukt in einer zweistufigen Destillation behandelt, wobei in der ersten Destillationsstufe im Kopf DME von nicht- umgesetztem MeOH und Reaktionswasser und in der zweiten Destillationsstufe im Kopf das in dem Sumpfprodukt der ersten Stufe enthaltene MeOH von dem Reaktionswasser getrennt werden und das gewonnene MeOH zurück in den Reaktor fließt. Die am Kopf der ersten Destillationsstufe mit dem DME ausgetragenen nicht-kondensierbaren leichten Gase sind mit DME gesättigt, das in einer Gaswaschstufe mit MeOH als Waschmittel von den nicht-kondensierbaren Gasen getrennt wird, bevor diese als Leichtsieder das System am Kopf die Gaswaschstufe verlassen. Es werden demnach sowohl bei der Destillation von DME als auch bei der Destillation von MeOH1 vorwiegend aus MeOH, Wasser und DME bestehende Stoffgemische, getrennt. Da die Produktspezifikationen für DME einerseits und MeOH andererseits verschiedenen Erfordernissen genügen müssen, werden die Destillationen von DME und MeOH separat durchgeführt. Die vorstehend beschriebenen Maßnahmen werden insbesondere für das Herstellen von hochreinem DME, der breite Anwendung als Treibgas, z.B. in Haarspray und Lackspray findet, angewendet. Technischer DME ist eine Alternative zu Flüssiggasen mit ausgezeichneten Brenneigenschaften. Aufgrund einer Cetanzahl von 55 bis 60 lässt sich DME in Dieselmotoren als Ersatz für Dieselkraftstoff einsetzen.
Da gemäß der Biokraftstoffrichtlinie 2003/30/EG des Europäischen Parlaments und des Rates zur „Förderung der Verwendung von Biokraftstoffen oder anderen erneuerbaren Kraftstoffen im Verkehrssektor" DME als Biokraftstoff gilt, darf dieser Verunreinigungen enthalten, die bei hochreinem DME nicht zugelassen sind. Es kann daher auf die Destillation des MeOH verzichtet und das Roh-MeOH direkt dem DME-Reaktor aufgegeben werden. So wird bei dem in der US 5750799 A beschriebenen Verfahren unbehandeltes Roh-MeOH direkt in einen DME-Reaktor geleitet, so dass der das MeOH enthaltende Rücklauf mit erheblichen Wassermengen belastet ist. Dieses im Kreislauf geführte Wasser muss zusätzlich zum nicht-umgesetzten MeOH kondensiert und anschließend vor dem DME-Reaktor verdampft werden, wodurch die Energieeffiziens des Verfahrens beachtlich beeinträchtigt wird. Außerdem wird durch den verminderten MeOH-Umsatz im DME- Reaktor der Kreislaufstrom vergrößert und demzufolge müssen die Apparate und apparatetechnischen Komponenten der Anlage zum Herstellen von DME größer ausgebildet werden. Roh-MeOH enthält Kohlensäure H2CO3 sowie geringe Mengen organischer Säuren, die neutralisiert werden müssen, um Korrosionserscheinungen an aus Stahl bestehenden Apparaten und apparatetechnischen Komponenten für das Herstellen von DME zu vermeiden. Zur Neutralisation des Roh-MeOH wird üblicherweise Soda eingesetzt.
Die US 6740783 B1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von DME aus Roh- MeOH unter Verwendung eines DME-Reaktors mit einem Festbett aus Zeolith- Katalysator, der zunächst durch eine Dotierung mit Metallen deaktiviert wird, um die DME-Selektivität des Katalysators zu steigern. Eine stetige Zufuhr von Metallen führt jedoch langfristig zu einer kontinuierlichen Deaktivierung und damit zu einer Verkürzung der Lebensdauer des Katalysators. Gegenstand der EP 1396483 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung von DME, bei dem Roh-MEOH in der Dampfphase in Gegenwart eines aktivierten mit Na dotierten AI2O3-Katalysators dehydratisiert wird. Dabei muss auf eine begrenzte Na-Dotierung geachtet werden, um den Umsatz des Katalysators nicht zu beeinträchtigen. Das bedeutet, dass das Roh-MeOH weitgehend frei von Metall- und NH4-lonen sein muss. Bei dem bereitgestellten Roh- MeOH und dessen Verdampfung ist daher der Mitriss von Neutralisierungsmittel sorgfältig zu vermeiden.
In den Druckschriften CN 100366597 C, CN 1830934 A und JP 2004161673 A sind Vorrichtungen beschrieben, bei denen Roh-MeOH und Rücklauf-MeOH einer gemeinsamen Trenneinrichtung zugeführt werden. Das Rücklauf-MeOH enthält das gesamte aus dem DME-Reaktor stammende Reaktionswasser, so dass das Rücklauf-MeOH nicht dem Kopf der Destillationskolonne aufgegeben werden kann. Es ist deshalb der Einsatz eines Kopfkondensators vorgesehen, um den Wassergehalt des dem DME-Reaktor zugeführten Roh-MeOH zu senken. Dies erfordert eine erhebliche Kondensatorkapazität, die mit einer entsprechend größeren Leistung des Reboilers verbunden ist, wodurch die Energieeffiziens und die Wirtschaftlichkeit reduziert werden. Die JP 2004161672 A befasst sich mit einem Verdampfer für Roh-MeOH, der eine Teilverdampfung des Roh-MeOH erlaubt, wobei das nicht verdampfte Gemisch aus MeOH und Wasser gemeinsam mit dem nicht umgesetzten MeOH und dem Reaktionswasser aus dem DME-Reaktor in einer separaten bei niedrigem Druck arbeitenden Destillationskolonne in Prozesswasser und Rücklauf-MeOH getrennt wird. Das unterkühlte wasserarme flüssige Rücklauf- MeOH wird mit dem verdampften Roh-MeOH in Kontakt gebracht, so dass die Wasserkonzentration in dem dem DME-Reaktor zugeführten Roh-MeOH gesenkt wird. Es ist also vorgesehen, mit dem nicht verdampften Wasser des Roh-MeOH auch nicht verdampftes MeOH zur Rücklauf-MeOH-Kolonne zu leiten. Diese Maßnahme erfordert das Verdampfen und Kondensieren des MeOH in der Rücklauf-MeOH-Kolonne und nach dem Rücklauf des weitgehend wasserfreien MeOH zum Roh-MeOH-Verdampfer die erneute Verdampfung desselben MeOH. Es entsteht also ein MeOH-Kreislauf ohne Kontakt mit dem DME-Reaktor, der unnötige Energie verbraucht und die Effizienz der Schaltung reduziert.
Aus der EP 455004 A1 oder der US 5750799 A ist bekannt, das mit den nicht- kondensierbaren Gasen am Kopf der DME-Kolonne ausgetragene DME in einer Kolonne auszuwaschen und zur MeOH-Kolonne zurückzuführen. Diese Maßnahme führt zu einem DME-Gehalt in dem dem DME-Reaktor aufgegebenen Roh-MeOH, durch den der Umsatz von MeOH zu DME reduziert wird. Dies ist insbesondere relevant, wenn Roh-MeOH eingesetzt wird, und die in dem Roh-MeOH enthaltenen leichten Gase nicht vor dem DME-Reaktor sondern erst in der DME-Kolonne abgetrennt werden. Proportional zur Menge der nicht-kondensierten leichten Gase steigt die Menge des mit den Gasen ausgetragenen DME und damit die Menge an DME im Zulauf zum DME-Reaktor an.
Wenn das Roh-MeOH nur wenig gelöste Gase enthält, kann auf die Anordnung eines Gaswäschers verzichtet werden. Stattdessen kann in einem mit Kaltwasser oder einem Kältemittel betriebenen Endkühler das mit den nicht-kondensierbaren Gasen ausgetragene DME weitgehend zurückgewonnen werden.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, das eingangs beschriebene Verfahren so zu gestalten, dass ein möglichst niedriger Verbrauch an Betriebsmitteln erreicht, die installierte Wärmeübertragerleistung verbessert und die Lebensdauer des Katalysators nicht beeinträchtigt werden.
Gelöst ist diese Aufgabe dadurch, dass das aus dem Reaktor abgezogene Reaktionsgemisch in einer Kolonne, nachfolgend als Gemisch-Kolonne bezeichnet, in ein überwiegend aus Wasser bestehendes Sumpfprodukt und in ein überwiegend aus DME und MeOH gebildetes Destillat getrennt wird, das Destillat in einer Kolonne, nachfolgend als DME-Kolonne bezeichnet, in ein im wesentlichen DME und über Kopf abgebbare nicht-kondensierbare Gase enthaltendes Destillat und in ein aus wasserarmem MeOH gebildetes Sumpfprodukt, das dem Kopf der MeOH-Kolonne zugeführt wird, getrennt wird.
Das Begriff „Destillat" definiert das bei einer Destillations- bzw. Rektifikationskolonne als Seitenprodukt oder als Kopfprodukt abgenommene Erzeugnis.
Im Rahmen der Ausgestaltung des Erfindung wird das aus wasserarmem MeOH gebildete Sumpfprodukt der DME-Kolonne dem Kopf der MeOH-Kolonne zugeleitet oder mit dem aus der Vorlaufkolonne abgezogenen Sumpfprodukt gemischt.
Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal besteht die Möglichkeit, das aus dem Reaktor abgezogene Reaktionsgemisch in einem prozessinternen Wärmeübertrager abzukühlen oder teilweise zu kondensieren, bevor das Reaktionsgemisch der Gemisch-Kolonne aufgegeben wird.
Die Wassermenge des in die DME-Kolonne eingeleiteten, überwiegend aus DME und MeOH bestehenden Destillats der Gemisch-Kolonne, ist über das Rücklaufverhältnis von der am Kolonnenkopf durch Kondensation eines Teils des Kopfprodukts erzeugter und am Kolonnenkopf wieder aufgegebener Flüssigkeitsmenge und der zur DME-Kolonne abgeführten Kopf produktmenge einstellbar. Durch diese Maßnahme lässt sich die Qualität des aus dem Sumpf der DME-Kolonne abgezogenen wasserarmen flüssigen Rücklauf-MeOH optimieren.
Ein weiteres Erfindungsmerkmal ist darin zu sehen, dass ein Teil des durch Verdampfen des Rücklaufs des im wesentlichen aus Wasser bestehenden Sumpfprodukts der MeOH-Kolonne erzeugten Dampfs in den Sumpf der Gemisch- Kolonne geleitet und auf diese Weise der DME-Gehalt im Sumpf gesenkt wird.
Eine Ausgestaltung der Erfindung ist ferner darin zu sehen, dass das im wesentlichen aus DME bestehende Destillat der DME-Kolonne kondensiert und ein Teil des Kondensats als Rücklauf dem Kopf der DME-Kolonne aufgegeben und der andere Teil des DME-Kondensats ausgeleitet wird. Dadurch, dass gleichzeitig das aus wasserarmem flüssigen MeOH bestehende Sumpfprodukt der DME-Kolonne am Kopf der MeOH-Kolonne aufgegeben wird, kann auf die Kondensation in der MeOH- Kolonne verzichtet werden.
Es besteht auch die Möglichkeit, das in der DME-Kolonne kondensierte DME als Seitenprodukt aus dem Verstärkungsteil der DME-Kolonne auszuleiten.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist darin zu sehen, dass das mit den nicht- kondensierbaren Gasen ausgetragene DME in einer Waschkolonne, vorzugsweise mit MeOH, ausgewaschen und in die Gemisch-Kolonne geleitet wird.
Im Rahmen der zusätzlichen Ausgestaltung der Erfindung werden vor dem Verdampfen des MeOH in der MeOH-Kolonne von dem zulaufenden Roh-MeOH die darin gelösten Gasen und leicht-siedenden Komponenten in einer Vorlaufkolonne abgetrennt und das Destillat ausgeleitet, wodurch die Qualität des erzeugten DME verbessert und die mit den nicht-kondensierbaren Gasen aus der DME-Kolonne mitgeschleppte DME-Menge verkleinert wird.
Das aus der Vorlaufkolonne abgezogene Sumpfprodukt wird vor dem Einlauf in die MeOH-Kolonne vorgewärmt und/oder teilweise verdampft.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht ferner darin, dass das am Kopf der DME-Kolonne mit den nicht-kondensierbaren Gasen ausgetragene DME in einer Waschkolonne, vorzugsweise mit MeOH, ausgewaschen und das erzeugtes Sumpfprodukt in die DME-Kolonne geleitet und/oder dem Roh-MeOH vor dem Eintritt in die MeOH-Kolonne zugesetzt wird.
Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal kann von dem Zulauf des Roh-MeOH abgezweigtes Roh-MeOH als Waschmittel am Kopf der Waschkolonne aufgegeben werden.
Wenn das Roh-Methanol nur geringe Mengen gelöste Gase enthält, kann auf die Anordnung einer Waschkolonne verzichtet werden und stattdessen ein mit Kaltwasser oder Kältemittel, beispielsweise DME, betriebener Endkühler eingesetzt werden, mit dem sich das mit den nicht kondensierbaren Gasen ausgetragene DME zurückgewinnen lässt.
Es ist zweckmäßig, das gelöste Gase und leicht-siedende Komponenten enthaltende Destillat der Vorlaufkolonne mit dem nicht-kondensierbare Gase enthaltenden Destillat der Waschkolonne zusammenzuführen und das Gemisch zur Weiterverarbeitung auszuleiten.
Nach einem zusätzlichen Erfindungsmerkmal wird das überwiegend aus Wasser bestehende Sumpfprodukt der MeOH-Kolonne aus dem Prozess ausgeleitet oder dem unteren Teil der Gemisch-Kolonne zugeführt und dann über den Sumpf der Gemisch-Kolonne ausgeleitet.
Es besteht auch die Möglichkeit, das überwiegend aus Wasser bestehende Sumpfprodukt der Gemisch-Kolonne in die MeOH-Kolonne zu leiten und das Wasser über den Sumpf der MeOH-Kolonne aus dem Prozess auszuleiten.
Es ist von Vorteil, das MeOH enthaltende Destillat der MeOH-KoInne vor dem Einleiten in den Reaktor durch indirekte Wärmeübertragung von der in dem aus dem Reaktor ausgetragenen Reaktionsgemisch enthaltenen Reaktionswärme auf eine Reaktionstemperatur von 250 bis 330° C zu überhitzen.
Ein Teil des gasförmigen Destillats der MeOH-Kolonne wird in den Sumpf der DME- Kolonne geleitet.
Bei der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist erfindungsgemäß die DME- Kolonne auf der MeOH-Kolonne angeordnet. Die beiden Kolonnen sind über das Destillat der MeOH-Kolonne und das Sumpfprodukt der DME-Kolonne gekoppelt, so dass die MeOH-Kolonne ohne Rücklaufkühler und die DME-Kolonne ohne Verdampfer betrieben werden können.
Eine Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass dampfförmige überwiegend aus DME und MeOH bestehende Destillat der Gemisch- Kolonne in den Sumpf einer Rektifikationskolonne, nachfolgend als DME-Produkt- Kolonne bezeichnet, eingespeist wird, das flüssiges MeOH enthaltende Sumpfprodukt dieser Kolonne am Kopf einer Rektifikationskolonne, nachfolgend als MeOH-Rücklauf-Kolonne bezeichnet, aufgegeben wird, wobei deren Destillat in den Sumpf der DME-Produkt-Kolonne geleitet und deren Sumpfprodukt dem Kopf der MeOH-Kolonne zugeführt wird.
Bei der erfindungsgemäßen Abwandlung des Verfahrens sind die als Verstärkungsteil ausgebildete DME-Produkt-Kolonne auf der Gemisch-Kolonne und die als Abtriebsteil ausgebildete MeOH-Rücklauf-Kolonne auf der MeOH-Kolonne angeordnet. Durch diese Maßnahme sind praktisch der Verstärkungsteil und der Abtriebsteil der DME-Kolonne getrennt und der kleinere Abtriebsteil der DME- Kolonne lässt sich auf die Methanol-Kolonne und der größere Verstärkungsteil der DME-Kolonne auf die Gemisch-Kolonne stellen. Der Durchmesser von Gemisch- Kolonne und Verstärkungsteil der DME-Kolonne sind nahezu gleich groß.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der in der Zeichnung in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten apparativen Verfahrensfließbilder. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Gemäß Fig. 1 wird ein aus Roh-MeOH mit einem MeOH-Gehalt von 75 Gew. % bestehender Einsatzstrom über Leitung (1) in die Vorlauf-Kolonne (2) eingespeist, in der bei einer mittleren Temperatur von 80° C und einem mittleren Druck von 3 bar[a] die in dem Roh-MeOH gelösten Gase, wie CO, CO2, CH4 und die leichtsiedenden Kohlenwasserstoffe und über Leitung (3) zur anderweitigen Nutzung ausgeleitet werden. Das mit einer mittleren Temperatur von 100° C vom Sumpf der Vorlaufkolonne (2) über Leitung (4) abgezogene MeOH wird in einer Wärmeübertragergruppe (5) auf eine mittlere Temperatur von 160° C vorgewärmt, dabei teilweise verdampft und über Leitung (6) einer MeOH-Kolonne (7) aufgegeben, in der bei einer mittleren Temperatur von 180° C und einem mittleren Druck von 20 bar[a] das Wasser vom MeOH abgetrennt wird. Aus dem Sumpf der MeOH-Kolonne (7) wird das Wasser über Leitung (8) aus dem Prozess ausgeleitet, während das über Leitung (9) abgeführte gasförmige eine mittlere Temperatur von 170° C besitzende Kopfprodukt der MeOH-Kolonne in einer Wärmeübertragergruppe (10) auf eine mittlere Temperatur von 300° C erwärmt und über Leitung (11) in einen Reaktor (12) geleitet wird. Das am Boden des Reaktors (12) abgezogene Gasgemisch wird über Leitung (13) der Wärmeübertragergruppe (10) zugeführt und rekuperativ gekühlt, bevor es über Leitung (14) der Gemisch-Kolonne (15) aufgegeben wird. In der Gemisch-Kolonne (15) wird das Gasgemisch bei einem mittleren Druck von 15 bar[a] und einer mittleren Temperatur von 150° C in ein wasserreiches Sumpfprodukt und in ein wasserarmes Kopfprodukt getrennt, wobei das Kopfprodukt weniger als 5 Gew. %, vorzugsweise weniger als 2 Gew. %, Wasser enthält. Das wasserreiche Sumpfprodukt wird über Leitung (16) zur MeOH- Kolonne (7) geleitet. Das wasserarme Kopfprodukt wird über Leitung (17) der DME- Kolonne (18), die bei einer mittleren Temperatur von 100° C und einem Druck von 13,5 bar[a] arbeitet, zugeführt. Vom Kopf der DME-Kolonne (18) oder von der Seite, zwei bis sieben Böden unterhalb des Kopfkondensators, wird DME abgezogen und über Leitung (19) zur Anlagengrenze geleitet. Das überwiegend aus MeOH mit kleinen Mengen an Wasser bestehende Sumpfprodukt der DME-Kolonne (18) wird über Leitung (20) zum Kopf der MeOH-Kolonne (7) gepumpt und dient als Rückfluss für den Verstärkungsteil der MeOH-Kolonne (7). Um die Konzentration von DME im Sumpf der DME-Kolonne (18) möglichst klein zu halten, kann ein Teilstrom des in Leitung (9) strömenden Kopfprodukts der MeOH-Kolonne (7) abgezweigt und über Leitung (21) in den Sumpf der DME-Kolonne (18) eingeleitet werden, so dass in diesem Fall auf einen Verdampferkreislauf verzichtet werden kann.
Die in der DME-Kolonne (18) nicht-kondensierbaren Gase werden über Kopf abgezogen und über Leitung (22) in den Sumpf der Waschstufe (23) geleitet, in der bei einem mittleren Druck von 10 bar[a] und einer mittleren Temperatur von 75° C das in den nicht- kondensierbaren Gasen enthaltene DME mit aus der Leitung (4) abgezweigtem und über Leitung (24) am Kopf der Waschstufe (23) aufgegebenem MeOH zurückgewonnen wird. Das gasförmige Kopfprodukt der Waschstufe (23) wird über Leitung (25) mit dem über Leitung (3) abströmenden Kopfprodukt der Vorlaufkolonne (2) zusammengeführt und zur anderweitigen Benutzung ausgeleitet. Das DME enthaltende Waschmittel wird aus dem Sumpf der Waschstufe (23) über Leitung (26) in die Gemisch-Kolonne (15) gepumpt. Alternativ kann das Sumpfprodukt der Waschstufe (23) über Leitung (27) entweder in die DME-Kolonne (18) oder über Leitung (28) in den in Leitung (6) der MeOH-Kolonne (7) zuströmenden MeOH-Strom eingespeist werden. Die Gemisch-Kolonne (15) kann ohne Verdampferkreislauf betrieben werden.
Bei der in Fig. 2 wiedergegebenen Abwandlung des Verfahrensfließbilds nach Fig. 1 wird das über Leitung (17) vom Kopf der Gemisch-Kolonne (15) abgeführte wasserarme Produkt unmittelbar in den Sumpf einer als Verstärkungskolonne ausgebildeten auf der Gemischkolonne (15) angebrachten Rektifikationskolonne (30), nachfolgend als DME- Produkt-Kolonne bezeichnet, geleitet. Das überwiegend aus MeOH mit kleinen Mengen an Wasser bestehende Sumpfprodukt der DME-Produkt-Kolonne (30) wird über Leitung (31 ) dem Kopf einer auf der MeOH-Kolonne (7) angeordneten als Abtriebskolonne ausgebildeten Kolonne (32), nachfolgend als MeOH-Rücklauf-Kolonne bezeichnet, zugeführt. Das Sumpfprodukt der MeOH-Rücklauf-Kolonne (32) strömt über Leitung (20) zum Kopf der MeOH-Kolonne (7), während das Kopfprodukt über Leitung (33) in den Sumpf der DME-Produkt-Kolonne (30) geleitet wird. Der von dem in Leitung (9) fließenden Kopfprodukt der MeOH-Kolonne (9) abgezweigte Teilstrom wird über Leitung (21) dem Sumpf der MeOH-Rücklauf-Kolonne (32) zugeführt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind insbesondere in einer vergleichsweise verbesserten Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit zu sehen. Ein Vergleich des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem bekannten zum Stand der Technik gehörenden Verfahren, wie dieses beispielsweise in der JP 2004161672 A beschrieben ist, zeigt, dass bei gleichen Randbedingungen für den MeOH-Gehalt des Roh-MeOH, die Vorwärmung und Teilverdampfung des MeOH vor Eintritt in die MeOH-Kolonne, die Eintrittstemperatur in den Reaktor, die Reinheit des erzeugten DME und die Reinheit des gewonnen Prozesswassers und bei nahezu gleichem externen Energieverbrauch die total installierte Wärmetauscherleistung um etwa 20 % kleiner als bei dem bekannten Verfahren ist.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen von Dimethylether (DME) aus Methanol (MeOH), durch Umsetzen, vorzugsweise durch säurenkatalytische Kondensation, von durch MeOH-Synthese gewonnenem Roh-MeOH zu DME unter Abspalten von Wasser in einem Reaktor (12), bei dem das aus Roh-MeOH bestehende Einsatzgemisch und wenigstens ein prozessintern gewonnener im wesentlichen aus nicht umgesetztem MeOH und Reaktionswasser gebildeter Rückfluss einer MeOH-Kolonne (7) aufgegeben und verdampft werden und das im wesentlichen aus dampfförmigem MeOH bestehende Destillat dem Reaktor zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Reaktor (12) abgezogene Reaktionsgemisch in einer Gemisch-Kolonne (15) in ein überwiegend aus Wasser bestehendes Sumpfprodukt und in ein überwiegend aus DME und MeOH gebildetes Destillat getrennt wird, das Destillat in einer DME-Kolonne (18) in ein im wesentlichen DME und über Kopf abgegebene nicht-kondensierbare Gase enthaltendes Destillat und in ein aus wasserarmem MeOH gebildetes Sumpfprodukt, das dem Kopf der MeOH- Kolonne (7) zugeführt oder mit dem aus der Vorlauf-Kolonne (2) abgezogenen Sumpfprodukt gemischt wird, getrennt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Reaktor (12) abgezogene Reaktionsgemisch in einem prozessinternen Wärmeübertrager (10) abgekühlt oder teilkondensiert wird, bevor es Gemisch- Kolonne (15) aufgegeben wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wassermenge des der DME-Kolonne (18) zugeführten überwiegend aus DME und MeOH bestehenden Destillats der Gemisch-Kolonne (15) über das Rücklaufverhältnis von der am Kolonnenkopf durch Kondensation eines Teils des Kopfprodukts erzeugter am Kolonnenkopf wieder aufgegebener Flüssigkeitsmenge und der zur DME-Kolonne abgeführten Kopf produktmenge einstellbar ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des durch Verdampfen des Rücklaufs des im wesentlichen aus Wasser bestehenden Sumpfprodukts der MeOH-Kolonne (7) erzeugten Dampfs in den Sumpf der Gemisch-Kolonne (15) geleitet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das im wesentlichen aus DME bestehende Destillat der DME-Kolonne (18) kondensiert und ein Teil des Kondensats als Rücklauf dem Kopf der DME-Kolonne aufgegeben und der andere Teil ausgeleitet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das in der DME-Kolonne (18) kondensierte DME als Seitenprodukt aus dem Auftriebsteil der DME-Kolonne ausgeleitet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mit den nicht-kondensierbaren Gasen aus der DME-Kolonne (18) ausgetragene DME in einer Waschkolonne (23), vorzugsweise mit MeOH, ausgewaschen und in die Gemisch-Kolonne (15) geleitet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Zulauf an zu trennendem Roh-MeOH vor dem Verdampfen des MeOH in der MeOH-Kolonne (7) die in dem Roh-MeOH gelösten Gase und leicht-siedenden Komponenten in einer Vorlaufkolonne (2) abgetrennt und das Destillat aus dem Prozess ausgeleitet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulauf an zu trennendem Roh-MeOH vor der MeOH-Kolonne (7) vorgewärmt und/oder teilweise verdampft wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mit nicht-kondensierbaren Gasen aus der DME-Kolonne (18) ausgetragene DME in einer Waschkolonne (23), vorzugsweise mit MeOH, ausgewaschen und das erzeugte Sumpfprodukt in die DME-Kolonne (18) geleitet und/oder dem Roh-MeOH vor dem Eintritt in die MeOH-Kolonne (7) zugesetzt wird.
11.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Waschmittel von dem Zulauf an MeOH abgezweigtes Roh-MeOH am Kopf der Waschkolonne(23) aufgegeben wird oder ein Teilstrom des Sumpfprodukts der DME-Kolonne (18) eingesetzt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das gelöste Gase und leicht-siedende Komponenten enthaltende Destillat der Vorlauf kolonne (2) mit dem nicht-kondensierbare Gase enthalten Kopfprodukt der Waschkolonne (23) zusammengeführt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das überwiegend aus Wasser bestehende Sumpfprodukt der MeOH- Kolonne (7) in den unteren Teil der Gemisch-Kolonne (15) geleitet oder aus dem Prozess geleitet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das übverwiegend aus Wasser bestehende Sumpfprodukt der Gemisch- Kolonne (15) in die MeOH-Kolonne (7) geleitet oder aus dem Prozess geleitet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass das MeOH enthaltende Destillat der MeOH-Kolonne (7) vor dem Einleiten in den Reaktor (12) durch indirekte Wärmeübertragung von der in dem aus dem Reaktor ausgetragenen Reaktionsgemisch enthaltenen Reaktionswärme auf eine Reaktionstemperatur von 250 bis 330° C überhitzt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Destillats der MeOH-Kolonne (7) in den Sumpf der DME- Kolonne (18) geleitet wird.
17. Abwandlung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das dampfförmige überwiegend aus DME und MeOH bestehende Destillat der Gemisch-Kolonne (15) in den Sumpf einer DME- Produkt-Kolonne (30) eingespeist wird, das flüssiges MeOH enthaltende Sumpfprodukt der DME-Produkt-Kolonne am Kopf einer MeOH-Rücklauf- Kolonne (32) aufgegeben wird, deren Destillat in den Sumpf der DME- Produkt-Kolonne (30) geleitet und deren Sumpfprodukt am Kopf der MeOH- Kolonne (7) aufgegeben oder dem aus der Vorlauf-Kolonne (2) abgezogenen Sumpfprodukt zugesetzt wird.
18. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die DME-Kolonne (18) auf der MeOH-Kolonne (7) angeordnet ist.
19. Vorrichtung zur Durchführung der Abwandlung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die DME-Produkt Kolonne (30) als Verstärkerkolonne ausgebildet und auf der Gemisch-Kolonne (15) und die MeOH-Rücklauf-Kolonne (32) als Abtriebskolonne ausgebildet und auf MeOH-Kolonne (7) angeordnet ist.
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